智能稳压司钻开关控制器研制

2014-06-05李继宏原嘉丽樊一江

石油矿场机械 2014年9期

关键词：稳压霍尔刹车

席栋，李威，李继宏，苑华，原嘉丽；樊一江

（1.中国石油渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘 062252；2.中石化宁波工程有限公司电控室，浙江宁波 315103）①

智能稳压司钻开关控制器研制

席栋1，李威1，李继宏1，苑华1，原嘉丽1；樊一江2

（1.中国石油渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘 062252；2.中石化宁波工程有限公司电控室，浙江宁波 315103）①

为解决石油钻机用电磁涡流刹车输出电压受电源电压影响波动较大、稳定性差，输出零位电压高引起控制系统误导通，输出峰值电压过高而烧毁晶闸管触发控制器及输出峰值电压过造成低刹车力矩不足等问题，研制了智能稳压司钻开关控制器，降低了设备故障率，提高了生产效率。

司钻开关控制器；智能稳压；霍尔传感器

石油钻机用电磁涡流刹车在钻机正常工作中起放钻具及钻机安装过程中的起放井架等作业中起到重要的作用。司钻开关控制器是电磁涡流刹车控制系统中的关键部件，安装于司钻操作房内，司钻通过操作司钻开关控制器对电磁涡流刹车控制系统发出控制信号，操控电磁涡流刹车。通常的司钻开关控制器是由1个同轴变压器组成，通过调整铁芯在线圈里的位置实现对变压器二次侧输出电压的调整和控制。但在使用中出现：输出信号受电源波动影响较大；零位电压不能达到绝对0，对触发电路造成影响；输出高位电压不易准确控制，容易出现超出± 10%电压范围输出信号，造成晶闸管触发电路烧毁故障等问题。研制的智能稳压司钻控制器能够很好地解决以上问题。

1 结构设计

智能稳压司钻开关控制器结构如图1所示，由手柄、手柄轴、信号发生器定位架、信号发生器、霍尔传感器、司钻开关支架、电压调制控制器、接线端子、筒体等组成。

1）工作原理信号发生器安装于定位架上与霍尔传感器相对安装。信号发生器产生磁信号，司钻开关支架里有1个感应磁力线大小的线性霍尔传感器，3根线分别连在霍尔传感器的3个脚上，分别为正极、负极、信号端子。定位架随手柄在0～90°角度范围内转动，霍尔传感器感应到信号发生器的磁力信号，对外输出与手柄旋转角度成比例的线性控制信号，电压调制控制器根据接收到的控制信号，对外输出0～18 V直流控制电压信号。电压调制控制器经开关稳压电源调制成5、18 V2级电压，为下级电路供电；霍尔传感器发来的控制信号经多谐振荡器调制处理成具有一定频率的方波信号后，提供至信号差分比较器，与输出端电压采样负反馈信号进行电压比较自动调控；比较器发出的方波信号使MOS管驱动电路对MOS管栅极发出控制信号，驱动MOS管调整导通状态，实现司钻开关对外输出0～18 V精确线性可调电压信号。为适应不同负载，在输出电压信号两端并联有负载保护电路。

2）设计特点电压调制电路采用宽电压范围开关电源设计，可以在85～264 V，47～63 Hz的供电电源下工作，可以保证控制回路正常稳定地工作，带电压负反馈功能、自动调整、精确控制输出电压在0～18 V。采用线性霍尔传感器检测信号发生器磁力线变化，实现控制信号随手柄旋转角度呈线性变化、无磨损检测。

图1 智能稳压司钻开关控制器结构

2 电路设计

智能稳压司钻开关控制器的电路原理如图2所示，主要包括：开关稳压电源电路、线性霍尔传感器、多谐振荡器、信号差分比较器、MOS管驱动电路、MOS管开关电路、电压采样负反馈电路、负载保护电路。

1）开关稳压电源由变压器、全桥整流电路、滤波电路、LM7818稳压电路、LM7805稳压电路组成双电压输出开关电源电路。

图2 智能稳压司钻开关控制器的电路原理

2）霍尔传感器采用A3516宽温度范围线性霍尔效应传感器［1］，该传感器具有高灵敏度、温度性能稳定的特点。其输出电压与所施加的磁场强度成正比，可将磁场变化转换为0.2～4.8 V线性电压信号，为多谐振荡电路提供信号。A3516的工作环境温度为-40～150℃，输出灵敏度为2.5 m V／G。引脚及内部原理如图3～4所示。

图3 引脚

图4 内部原理

3）多谐振荡器设计为采用NE555模块组成的多谐振荡器［2］电路，其引脚排列及内部结构框图如图5。NE555为时基电路，采用DIP双列直插8引脚与SOP8小型（SMP）2种封装形式，Vcc为4. 5～16 V，极限电源电压为18 V。

4）信号差分比较器设计采用LM339四路差分比较器模块组成的电压负反馈电路、单限比较器电路［2］。LM339集成块内部装有4个独立的电压比较器，可以方便地组成各种电压比较器电路和振荡器电路，采用C-14型封装。

图5 NE555引脚排列及内部框图

5） MOS管驱动器及保护电路［3］在应用MOS管和设计MOS管驱动的时候，有很多寄生参数，其中最影响MOS管开关性能的是源边感抗。采用2SC8050晶体管组成的推挽型MOS管驱动器及保护电路受电压比较器脉冲信号控制，如图6。为了成本考虑，采用NPN管子的输出级电路。NPN管子只能承受单向电流，高边的管子输出电流，低边的管子吸收电流。在开启和关闭的时候，不可避免的源边感抗和输入电容之间的振荡，使得电流需要上下2个方向都有通路，为了提供1条方向通路，低电压的肖特基二极管可以用来保护驱动器的输出级，这里注意这2个管子并不能保护MOS管的输入级（离MOS管较远），因此二极管需要离驱动器引脚非常近。

图6 MOS管驱动器及保护电器

6）负载保护电路采用ISS52晶体二极管并联在输出极两端，以便对感性负载提供保护。

3 结语

本文设计的智能稳压司钻开关控制器，可以完成对石油钻机用电磁涡流刹车的司钻开关实施电压负反馈自动控制，解决输出电压受电源电压影响波动较大、稳定性差、输出零位电压高引起控制系统误导通，输出峰值电压过高烧毁晶闸管触发控制器及输出峰值电压过低造成刹车力矩不足等问题。抗干扰能力强，降低了设备故障率，提高了生产效率。该装置有良好的通用性和可靠性，经现场试用，用户反映良好。

［1］刘畅生，寇宝明，钟龙.霍尔传感器实用手册［J］.北京：中国电力出版社，2009.

［2］何书森.何华斌.实用电子电路设计速成［M］.福州：福建科技出版社，2005.

［3］吴丙申，卞祖富.模拟电路基础［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.

Design and Manufacturing of Smart Voltage-stabilized Driller Switch Controller

An intelligent driller switch controller is mainly designed and used for the solution of large voltage fluctuation and bad reliability of output voltage，and the solution of control system misleading caused by high output zero voltage，and the burning of Thyristor trigger controller caused by high and low peak output voltage，and insufficiency of breaking torque.The intelligent driller switch controller lowers equipment failure and increases productivity.

driller switch controller；smart voltage-stabilization；hall sensor

TE923

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.028